JPH10227993A - Bessel beam generating method and optical scanning device using the same - Google Patents

Bessel beam generating method and optical scanning device using the same

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JPH10227993A
JPH10227993A JP4739497A JP4739497A JPH10227993A JP H10227993 A JPH10227993 A JP H10227993A JP 4739497 A JP4739497 A JP 4739497A JP 4739497 A JP4739497 A JP 4739497A JP H10227993 A JPH10227993 A JP H10227993A
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Japan
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light
convex lens
bessel
optical system
laser
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Japanese (ja)
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Masaru Osawa
大 大沢
Masayuki Suzuki
雅之 鈴木
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Canon Inc
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To generate a Bessel beam with large depth of a focus by making the light beam, projected from a light source means emitting a light beam with a cylindrical light intensity distribution, incident on an image formation optical system. SOLUTION: The light source means 12 which emits the light beam (laser beam) with the cylindrical light intensity distribution consists of, for example, a vertical oscillation type surface light emission laser (semiconductor laser) and generates the laser beam (light output) 11 having the cylindrical (doughnut- shaped) light intensity distribution. Then a convex lens 22 as the image formation optical system is arranged at a distance of the focal length (-f) of the convex lens 22 from the laser end surface (light emission surface) of the vertical oscillation type surface light emission laser 12 and generates the Bessel, beam in an interference area (Bessel beam area) almost at a distance of the focal length (+f) of the convex lens 22. Thus, the Bessel beam having the intensity distribution which is nearly in proportion to the square of a 0-order Bessel function of 1st class is generated in the interference area (Bessel beam area) 21.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はベッセルビーム発生
方法及びそれを用いた光走査装置に関し、特に微小スポ
ットで且つ大きな焦点深度を有するベッセルビームの発
生方法及びそれを用いた光走査装置作成に関するもので
ある。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for generating a Bessel beam and an optical scanning device using the same, and more particularly to a method for generating a Bessel beam having a small spot and a large depth of focus and an optical scanning device using the same. It is.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来よりレーザービームは一般にガウス
ビームとして取り扱われ、その伝播特性に基づく制約を
受けてきた。しかしながら近年、非常に焦点深度が深
く、且つスポット径が比較的小さいレーザービームとし
てベッセルビーム(Joビーム、或いは非回折性ビー
ム)が注目されている。ベッセルビームの詳細は例えば
Durnin:J.Opt.Soc.Am.A,vol.4,No.4,p.651(1987)に記述
されている。このベッセルビームの特徴は伝播方向に垂
直な断面内での光振幅分布が第1種の0次ベッセル関数
に比例するものに成っていることである。即ち、光軸か
らの距離をrとしたとき、ベッセルビームの振幅分布U
(r)は、 U(r)=A・Jo(αr) ・・・・・・(1) で表される。ここでA及びαは定数である。尚、強度分
布は振幅分布U(r)の絶対値を2乗すれば求められ
る。
2. Description of the Related Art Conventionally, a laser beam is generally treated as a Gaussian beam and has been restricted based on its propagation characteristics. However, in recent years, a Bessel beam (Jo beam or non-diffractive beam) has attracted attention as a laser beam having a very large depth of focus and a relatively small spot diameter. For details of the vessel beam
Durnin: J. Opt. Soc. Am. A, vol. 4, No. 4, p. 651 (1987). The Bessel beam is characterized in that the light amplitude distribution in a section perpendicular to the propagation direction is proportional to the first-order zero-order Bessel function. That is, when the distance from the optical axis is r, the amplitude distribution U of the Bessel beam
(R) is represented by U (r) = A · Jo (αr) (1) Here, A and α are constants. Note that the intensity distribution can be obtained by squaring the absolute value of the amplitude distribution U (r).

【0003】ベッセルビームを得る方法としては、例え
ばDurnin他による細いリング開口とレンズを用いて形成
する方法(Phys.Rev.Letters,vol.58,No.15,p.1499(198
7))や、河田、有本による円錐プリズムを用いて形成す
る方法(春季応用物理学会講演予稿集、p.829 、30p-A-
4 (1991)などが知られている。
As a method for obtaining a Bessel beam, for example, a method using a thin ring opening and a lens by Durnin et al. (Phys. Rev. Letters, vol. 58, No. 15, p. 1499 (198)
7)), and a method using a conical prism by Kawata and Arimoto (Preprints of the Spring Meeting of the Japan Society of Applied Physics, p.829, 30p-A-
4 (1991).

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】図5は細いリング開口
と凸レンズを用いてベッセルビームを形成する方法を示
した光学系の要部概略図である。
FIG. 5 is a schematic diagram of a main part of an optical system showing a method of forming a Bessel beam using a thin ring aperture and a convex lens.

【0005】同図においてコリメーターレンズ(不図
示)でコリメートされたレーザー光束51は細いリング
開口52により回折された後、凸レンズ53を通り、干
渉領域(ベッセルビーム領域)54でベッセルビームを
形成している。しかしながら同図によるベッセルビーム
形成方法はレーザー光束51が細いリング開口52を通
過するときの光束のケラレにより、光量の低下が著しい
という問題点がある。
In FIG. 1, a laser beam 51 collimated by a collimator lens (not shown) is diffracted by a thin ring opening 52, passes through a convex lens 53, and forms a Bessel beam in an interference area (Bessel beam area) 54. ing. However, the Bessel beam forming method shown in the figure has a problem that the amount of light is remarkably reduced due to vignetting of the laser beam 51 when the laser beam 51 passes through the narrow ring opening 52.

【0006】一方、円錐プリズムを用いてベッセルビー
ムを形成する方法は、円錐プリズムの製作が難しいとい
う問題がある。特に頂角が180度に近い円錐プリズム
は角度精度の高いものが得にくく、また芯取り精度も低
くレーザービームの対称性も出し難いという問題点があ
る。
On the other hand, the method of forming a Bessel beam using a conical prism has a problem that it is difficult to manufacture a conical prism. In particular, a conical prism having an apex angle close to 180 degrees has a problem that it is difficult to obtain a prism having a high angle accuracy, has a low centering accuracy, and has difficulty in obtaining the symmetry of a laser beam.

【0007】そこで従来では上記の問題点を解決する手
段が、例えば特開平4-171415号公報や特開平4-145412号
公報等で種々と開示されている。
Therefore, conventionally, various means for solving the above-mentioned problems have been disclosed in, for example, JP-A-4-171415 and JP-A-4-145412.

【0008】図6は特開平4-171415号公報で開示されて
いるベッセルビーム発生方法を示す光学系の要部概略
図、図7は図6に示した光源手段の拡大説明図である。
FIG. 6 is a schematic view of a main part of an optical system showing a Bessel beam generating method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 4-171415, and FIG. 7 is an enlarged explanatory view of the light source means shown in FIG.

【0009】図6においては光学系によるケラレを小さ
くするため半導体レーザ61から出射したレーザー光束
62を凹レンズ63、凸レンズ64、そしてアキシコン
レンズ(アキシコン光学素子)65を介して干渉領域
(ベッセルビーム領域)66でベッセルビームを形成し
ている。同図におけるアキシコンレンズ65はブレーズ
化された断面形状をもつため回折効率が高く光量の損失
はないが、該断面形状のブレーズ化は製作が難しいとい
う問題点がある。また装置全体の小型化を図るため光源
に半導体レーザ61を用いた場合、図7に示すように該
半導体レーザ61から出射されるレーザー光束の光強度
分布(レーザ端面での発光強度分布である近視野像)は
楕円の光強度分布を有するため、形成したベッセルビー
ムの光強度分布もx軸方向(光軸方向)とy軸方向(光
軸と直交する方向)とが非対称になるという問題点があ
る。
In FIG. 6, a laser beam 62 emitted from a semiconductor laser 61 is transmitted through a concave lens 63, a convex lens 64, and an axicon lens (axicon optical element) 65 to reduce the vignetting caused by the optical system. ) 66 forms a Bessel beam. Although the axicon lens 65 in the figure has a blazed cross-sectional shape, it has high diffraction efficiency and no loss of light amount, but there is a problem that the blazed cross-sectional shape is difficult to manufacture. When the semiconductor laser 61 is used as a light source in order to reduce the size of the entire apparatus, as shown in FIG. 7, the light intensity distribution of the laser beam emitted from the semiconductor laser 61 (near the light emission intensity distribution at the laser end face). Since the (field image) has an elliptical light intensity distribution, the light intensity distribution of the formed Bessel beam also becomes asymmetric in the x-axis direction (optical axis direction) and the y-axis direction (direction orthogonal to the optical axis). There is.

【0010】図8は特開平4-145412号公報で開示されて
いるベッセルビーム発生方法を示す光学系の要部概略図
である。
FIG. 8 is a schematic view of a main part of an optical system showing a Bessel beam generating method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-45412.

【0011】同図においては直径dで環の幅δの環状鏡
(第1の光学素子)81、焦点距離fの凸レンズ82、
そして出力鏡(第2の光学素子)83をハイブリットに
並べることにより、ベッセルビーム(光出力)84を発
生させている。しかしながら同図においては構成が複雑
であり、かつ装置全体の小型化が難しいという問題点が
ある。
In FIG. 1, an annular mirror (first optical element) 81 having a diameter d and an annular width δ, a convex lens 82 having a focal length f,
By arranging output mirrors (second optical elements) 83 in a hybrid, a Bessel beam (light output) 84 is generated. However, in the figure, there are problems that the configuration is complicated and it is difficult to reduce the size of the entire apparatus.

【0012】本発明は上記の問題点を解決するために円
筒状の光強度分布の光ビームを発する光源手段から出射
した光ビームを結像光学系に入射させることにより、第
1種の0次ベッセル関数の2乗に略比例する強度分布を
有するベッセルビームを簡易な光学系で簡便に発生させ
ることのできるベッセルビーム発生方法及びそれを用い
た光走査装置の提供を目的とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a first-order zero-order light by making a light beam emitted from light source means for emitting a light beam having a cylindrical light intensity distribution incident on an imaging optical system. It is an object of the present invention to provide a Bessel beam generating method capable of easily generating a Bessel beam having an intensity distribution substantially proportional to the square of the Bessel function with a simple optical system, and an optical scanning device using the same.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明のベッセルビーム
発生方法は、 (1) 円筒状の光強度分布の光ビームを発する光源手段か
ら出射した光ビームを結像光学系に入射させることによ
り、第1種の0次ベッセル関数の2乗に略比例する強度
分布を有するベッセルビームを発生させることを特徴と
している。
According to the present invention, there is provided a method for generating a Bessel beam, comprising the steps of: (1) causing a light beam emitted from a light source means for emitting a light beam having a cylindrical light intensity distribution to enter an imaging optical system; It is characterized by generating a Bessel beam having an intensity distribution substantially proportional to the square of the first-order zero-order Bessel function.

【0014】特に(1-1) 前記光源手段は垂直発振型面
発光レーザ、もしくは発光ダイオード(LED)、もし
くはスーパールミネッセント・ダイオード(SLD)よ
り成ることや、(1-2) 前記結像光学系は凸レンズを有し
ていることや、(1-3) 前記結像光学系にビームエクスパ
ンダー、もしくはリレーレンズを配したことや、(1-4)
前記凸レンズは前記光源手段の発光面に対し、該凸レン
ズの焦点距離だけ離れた位置に配され、該凸レンズの焦
点距離だけ離れた位置近傍に前記ベッセルビームを発生
させたこと等を特徴としている。
In particular, (1-1) the light source means comprises a vertical oscillation type surface emitting laser, a light emitting diode (LED), or a super luminescent diode (SLD); That the optical system has a convex lens, (1-3) that a beam expander or a relay lens is arranged in the imaging optical system, (1-4)
The convex lens is disposed at a position away from the light emitting surface of the light source means by a focal length of the convex lens, and the Bessel beam is generated near a position away from the focal length of the convex lens.

【0015】本発明の光走査装置は、 (2) 円筒状の光強度分布の光ビームを発する光源手段か
ら出射した光ビームを結像光学系を介して第1種の0次
ベッセル関数の2乗に略比例する強度分布を有するベッ
セルビームとし、該ベッセルビームを集光手段により集
光し偏向手段に入射させ、該偏向手段で偏向させた後、
結像手段を介して被走査面上に導光し、該被走査面上を
光走査するようにしたことを特徴としている。
(2) A light beam emitted from a light source means for emitting a light beam having a cylindrical light intensity distribution is converted into a first kind of zero-order Bessel function of the first kind via an imaging optical system. A Bessel beam having an intensity distribution substantially proportional to the power, the Bessel beam is condensed by a condensing unit and made incident on a deflecting unit, and after being deflected by the deflecting unit,
Light is guided onto the surface to be scanned via the image forming means, and the surface to be scanned is optically scanned.

【0016】特に(2-1) 前記光源手段は垂直発振型面発
光レーザ、もしくは発光ダイオード(LED)、もしく
はスーパールミネッセント・ダイオード(SLD)より
成ることや、(2-2) 前記結像光学系は凸レンズを有して
いることや、(2-3) 前記結像光学系にビームエクスパン
ダー、もしくはリレーレンズを配したことや、(2-4) 前
記凸レンズは前記光源手段の発光面に対し、該凸レンズ
の焦点距離だけ離れた位置に配され、該凸レンズの焦点
距離だけ離れた位置近傍に前記ベッセルビームを発生さ
せたこと等を特徴としている。
In particular, (2-1) the light source means comprises a vertical oscillation type surface emitting laser, a light emitting diode (LED), or a super luminescent diode (SLD); The optical system has a convex lens, (2-3) a beam expander or a relay lens is arranged in the imaging optical system, and (2-4) the convex lens is a light emitting surface of the light source means. In contrast, the Bessel beam is generated at a position separated by the focal length of the convex lens and near the position separated by the focal length of the convex lens.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】図1は本発明のベッセルビームを
発生させる実施形態1の光学系を示した要部概略図、図
2は図1に示した光源手段の拡大説明図である。
FIG. 1 is a schematic view showing a main part of an optical system according to a first embodiment of the present invention for generating a Bessel beam, and FIG. 2 is an enlarged explanatory view of the light source means shown in FIG.

【0018】図1、図2において12は円筒状の光強度
分布の光ビーム(レーザービーム)を発する光源手段で
あり、例えば垂直発振型面発光レーザ(半導体レーザ)
より成っており、この垂直発振型面発光レーザ12は伊
藤らにより雑誌O plsu E,1987年 1月号,p69-72 で開
示されている。11は円筒状(ドーナッツ状)の光強度
分布を有するレーザービーム(光出力)である。22は
結像光学系としての凸レンズであり、該凸レンズ22は
垂直発振型面発光レーザ12のレーザ端面(発光面)に
対し、該凸レンズ22の焦点距離(−f)だけ離れた位
置に配され、該凸レンズ22の焦点距離(+f)だけ離
れた位置近傍の干渉領域(ベッセルビーム領域)でベッ
セルビームを発生させている。21は干渉領域(ベッセ
ルビーム領域)であり、第1種の0次ベッセル関数の2
乗に略比例する強度分布を有するベッセルビームが形成
される。
1 and 2, reference numeral 12 denotes a light source means for emitting a light beam (laser beam) having a cylindrical light intensity distribution, for example, a vertical oscillation type surface emitting laser (semiconductor laser).
The vertical oscillation type surface emitting laser 12 is disclosed by Ito et al. In a magazine O plsu E, January 1987, p69-72. Reference numeral 11 denotes a laser beam (light output) having a cylindrical (donut-like) light intensity distribution. Reference numeral 22 denotes a convex lens serving as an imaging optical system. The convex lens 22 is disposed at a position apart from the laser end surface (light emitting surface) of the vertical oscillation type surface emitting laser 12 by a focal length (-f) of the convex lens 22. The Bessel beam is generated in an interference area (Bessel beam area) near a position separated by the focal length (+ f) of the convex lens 22. Reference numeral 21 denotes an interference region (Bessel beam region), which is a zeroth-order Bessel function of the first kind, 2
A Bessel beam having an intensity distribution approximately proportional to the power is formed.

【0019】従来、ベッセルビーム形成に用いられる光
源としてのガスレーザや半導体レーザ等の発光点から発
光されるレーザービーム(近視野像)は、通常ガウス分
布になっている。これに対し本実施形態で用いる垂直発
振型面発光レーザ12の発光点から発光されるレーザー
ビーム(近視野像)は円筒状(ドーナッツ状)の光強度
分布に成っており、また発光点から遠く離れた点のレー
ザービーム(遠視野像)も円筒状(ドーナッツ状)の光
強度分布に成っており、かつ発散傾向にある。これは垂
直発振型面発光レーザ12の発光点を形成する活性層が
幅の狭い円形状であるため、ドーナッツ形状の幅の方向
にビームが広がるためである。
Conventionally, a laser beam (near-field image) emitted from a light emitting point of a gas laser or a semiconductor laser as a light source used for Bessel beam formation usually has a Gaussian distribution. On the other hand, the laser beam (near-field image) emitted from the emission point of the vertical oscillation type surface emitting laser 12 used in the present embodiment has a cylindrical (donut-shaped) light intensity distribution and is far from the emission point. The laser beam (far-field image) at a distant point also has a cylindrical (donut-like) light intensity distribution and tends to diverge. This is because the beam spreads in the width direction of the donut shape because the active layer forming the light emitting point of the vertical oscillation type surface emitting laser 12 has a narrow circular shape.

【0020】本実施形態において垂直発振型面発光レー
ザ12から出射したドーナッツ状のレーザービーム(光
出力)11は凸レンズ22を透過した後、該凸レンズ2
2の焦点距離(+f)だけ離れた位置近傍の干渉領域
(ベッセルビーム領域)21でベッセルビームを形成し
ている。このようにして形成されたベッセルビームの光
強度分布は垂直発振型面発光レーザ12及び凸レンズ2
2が光軸に対し回転対称であることから回転対称の強度
分布を有している。
In the present embodiment, a donut-shaped laser beam (light output) 11 emitted from a vertical oscillation type surface emitting laser 12 passes through a convex lens 22 and
A Bessel beam is formed in an interference area (Bessel beam area) 21 near a position separated by a focal distance (+ f) of 2. The light intensity distribution of the Bessel beam formed in this manner is determined by the vertical oscillation type surface emitting laser 12 and the convex lens 2.
2 has a rotationally symmetric intensity distribution because it is rotationally symmetric with respect to the optical axis.

【0021】また本実施形態では上述の如く凸レンズ2
2を垂直発振型面発光レーザ12のレーザ端面に対し、
該凸レンズ22の焦点距離(−f)だけ離れた位置に配
置したことにより、従来凸レンズをレーザ端面に対し、
該凸レンズの焦点距離(−2f)だけ離して配置した場
合に比べ、スポットの中心強度を光軸上で更に集中させ
ることができる。
In this embodiment, as described above, the convex lens 2
2 with respect to the laser end face of the vertical oscillation type surface emitting laser 12.
By arranging the convex lens 22 at a position away from the focal length (-f) of the convex lens 22, the conventional convex lens can
The center intensity of the spot can be further concentrated on the optical axis as compared with the case where the convex lenses are arranged apart by the focal length (-2f).

【0022】尚、本実施形態において干渉領域(ベッセ
ルビーム領域)21の後方光路中にリレーレンズを配置
しても良く、これにより更にベッセルビームの焦点深度
を深くして使用することができる。
In this embodiment, a relay lens may be arranged in the optical path behind the interference area (Bessel beam area) 21, so that the depth of focus of the Bessel beam can be further increased.

【0023】このように本実施形態においては上述の如
く円筒状の光強度分布のレーザービームを発する光源手
段(垂直発振型面発光レーザ)から出射したレーザービ
ームを結像光学系(凸レンズ)に入射させることによ
り、第1種の0次ベッセル関数の2乗に略比例する強度
分布を有するベッセルビームを発生させることができ、
特に本実施形態では光束のケラレが少なく、光源の光量
を有効に活用できると共に簡易な光学系で簡便にベッセ
ルビームを発生させることができる。
As described above, in this embodiment, the laser beam emitted from the light source means (vertical oscillation type surface emitting laser) for emitting the laser beam having the cylindrical light intensity distribution as described above is incident on the imaging optical system (convex lens). By doing so, it is possible to generate a Bessel beam having an intensity distribution substantially proportional to the square of the 0th-order Bessel function of the first kind,
In particular, in the present embodiment, the vignetting of the light beam is small, the light amount of the light source can be effectively utilized, and the Bessel beam can be easily generated with a simple optical system.

【0024】尚、本実施形態では光源手段として垂直発
振型面発光レーザを用いたが、該垂直発振型面発光レー
ザに限らず、円筒状の光強度分布の光ビームを発する光
学素子、例えばLED(発光ダイオード)やSLD(ス
ーパールミネッセント・ダイオード)等を用いても本発
明は前述の実施形態1と同様に適用することができる。
In this embodiment, a vertical oscillation type surface emitting laser is used as the light source means. However, the present invention is not limited to the vertical oscillation type surface emitting laser, but an optical element which emits a light beam having a cylindrical light intensity distribution, for example, an LED. The present invention can be applied in the same manner as in the first embodiment even if a (light emitting diode), an SLD (super luminescent diode), or the like is used.

【0025】図3は本発明のベッセルビームを発生させ
る実施形態2の光学系を示した要部概略図である。同図
において図1に示した要素と同一要素には同符番を付し
ている。
FIG. 3 is a schematic view showing a main part of an optical system according to a second embodiment of the present invention for generating a Bessel beam. In the figure, the same elements as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.

【0026】本実施形態において前述の実施形態1と異
なる点は垂直発振型面発光レーザと凸レンズとの間の光
路中に、例えば焦点距離f1 の第1のレンズと焦点距離
2の第2のレンズとから成るビームエクスパンダ31
を配置して結像光学系を構成したことである。その他の
構成及び光学的作用は前述の実施形態1と略同様であ
り、これにより同様な効果を得ている。
[0026] The foregoing embodiment 1 differs in this embodiment in the optical path between the vertical oscillation type surface emitting laser and a convex lens, for example, focal length second first lens and the focal length f 2 of f 1 Beam expander 31 composed of lenses
Are arranged to form an imaging optical system. Other configurations and optical functions are substantially the same as those of the first embodiment, and thus the same effects are obtained.

【0027】即ち、同図において10は結像光学系であ
り、焦点距離f1 の第1のレンズ31aと焦点距離f2
の第2のレンズ31bとから成るビームエキスパンダー
31と凸レンズ22とを有している。
[0027] That is, 10 is an imaging optical system in the figure, the first lens 31a and the focal point of the focal length f 1 length f 2
And a convex lens 22 having the second lens 31b.

【0028】本実施形態において垂直発振型面発光レー
ザ12から出射したドーナッツ状のレーザービーム(光
出力)11はビームエキスパンダー31によりビーム径
が広げられ、回折損失を小さくして凸レンズ22を透過
した後、干渉領域(ベッセルビーム領域)32でベッセ
ルビームを形成している。このようにして形成されたベ
ッセルビームの光強度分布は垂直発振型面発光レーザ1
2、ビームエキスパンダー31、そして凸レンズ22が
光軸に対し回転対称であることから回転対称の強度分布
を有している。
In this embodiment, the beam diameter of the donut-shaped laser beam (light output) 11 emitted from the vertical oscillation type surface emitting laser 12 is expanded by the beam expander 31 to reduce the diffraction loss and pass through the convex lens 22. , An interference region (vessel beam region) 32 forms a Bessel beam. The light intensity distribution of the Bessel beam thus formed is determined by the vertical oscillation type surface emitting laser 1.
2. Since the beam expander 31 and the convex lens 22 are rotationally symmetric with respect to the optical axis, they have a rotationally symmetric intensity distribution.

【0029】このように本実施形態では上述の如くビー
ムエキスパンダー31を垂直発振型面発光レーザ12と
凸レンズ22との間の光路中に配置することにより、干
渉領域のベッセルビームの焦点深度を実効的に深くする
ことができる。
As described above, in the present embodiment, by arranging the beam expander 31 in the optical path between the vertical oscillation type surface emitting laser 12 and the convex lens 22 as described above, the focal depth of the Bessel beam in the interference area can be effectively reduced. Can be deeper.

【0030】図4は本発明のベッセルビーム発生方法を
光走査装置に適用したときの実施形態1の主走査方向の
要部断面図(主走査断面図)である。
FIG. 4 is a sectional view (main scanning sectional view) of a main part in the main scanning direction of the first embodiment when the method of generating a Bessel beam according to the present invention is applied to an optical scanning device.

【0031】同図において12は円筒状の光強度分布の
レーザービームを発する光源手段であり、例えば垂直発
振型面発光レーザより成っている。11は円筒状(ドー
ナッツ状)の光強度分布を有するレーザービーム(光出
力)である。
In FIG. 1, reference numeral 12 denotes a light source means for emitting a laser beam having a cylindrical light intensity distribution, which comprises, for example, a vertical oscillation type surface emitting laser. Reference numeral 11 denotes a laser beam (light output) having a cylindrical (donut-like) light intensity distribution.

【0032】22は結像光学系としての凸レンズであ
り、該凸レンズ22は垂直発振型面発光レーザ12のレ
ーザ端面(発光面)に対し、該凸レンズ22の焦点距離
(−f)だけ離れた位置に配され、該凸レンズ22の焦
点距離(+f)だけ離れた位置近傍の干渉領域(ベッセ
ルビーム領域)でベッセルビームを発生させている。
Reference numeral 22 denotes a convex lens serving as an imaging optical system. The convex lens 22 is located at a distance from the laser end surface (light emitting surface) of the vertical oscillation type surface emitting laser 12 by a focal length (-f) of the convex lens 22. And a Bessel beam is generated in an interference area (vessel beam area) near a position separated by a focal length (+ f) of the convex lens 22.

【0033】5は集光手段としての集光レンズであり、
単一のレンズより成っており、ベッセルビームを集光し
て偏向手段としての光偏向器6の偏向面6aに入射させ
ている。光偏向器6は例えば4つの偏向面を有した回転
多面鏡(ポリゴンミラー)より成っており、モータ等の
駆動手段(不図示)により回転軸Oを中心に矢印C方向
に一定の速度で回転している。
Reference numeral 5 denotes a condenser lens as a condenser means.
It is composed of a single lens, and focuses the Bessel beam and makes it incident on the deflecting surface 6a of the optical deflector 6 as deflecting means. The optical deflector 6 is composed of, for example, a rotating polygon mirror (polygon mirror) having four deflecting surfaces, and is rotated at a constant speed in a direction indicated by an arrow C around a rotation axis O by driving means (not shown) such as a motor. doing.

【0034】7は結像手段としてのfθレンズであり、
2枚の球面レンズ7a,7bより成っており、光偏向器
6によって偏向反射されたレーザービームを被走査面8
近傍に結像させている。被走査面8は、例えば複写機や
LBP(レーザービームプリンタ)等では感光ドラム面
に相当する。
Reference numeral 7 denotes an fθ lens as an image forming means.
The laser beam is composed of two spherical lenses 7a and 7b. The laser beam deflected and reflected by the optical deflector 6 is
An image is formed in the vicinity. The scanned surface 8 corresponds to a photosensitive drum surface in, for example, a copying machine or an LBP (laser beam printer).

【0035】本実施形態において垂直発振型面発光レー
ザ12から出射したドーナッツ状のレーザービーム(光
出力)11は凸レンズ22に入射する。そして凸レンズ
22から出射したレーザービームは互いに干渉しあい、
その光路を横切る平面(位置)A近傍に第1種の0次ベ
ッセル関数の2乗に略比例する強度分布を有するベッセ
ルビームB1を形成している。そしてベッセルビームB
1は平面Aから離れるに従い発散するが、集光レンズ5
により集束作用を受け、光偏向器6の偏向面6a近傍に
集光している。そして光偏向器6で偏向反射されたレー
ザービームはfθレンズ7によって集束作用を受け、被
走査面8上にベッセルビームB2を形成している。尚、
本実施形態において平面Aと被走査面8とは光学的に略
共役な関係に設定している。
In this embodiment, a donut-shaped laser beam (light output) 11 emitted from a vertical oscillation type surface emitting laser 12 enters a convex lens 22. The laser beams emitted from the convex lens 22 interfere with each other,
A Bessel beam B1 having an intensity distribution substantially proportional to the square of the zeroth-order Bessel function of the first type is formed near a plane (position) A crossing the optical path. And Vessel beam B
1 diverges away from the plane A,
As a result, the light is condensed near the deflection surface 6a of the optical deflector 6. The laser beam deflected and reflected by the optical deflector 6 is converged by the fθ lens 7 to form a Bessel beam B2 on the surface 8 to be scanned. still,
In the present embodiment, the plane A and the scanned surface 8 are set to have an optically conjugate relationship.

【0036】次いで光偏向器6を図中矢印C方向に回転
させることによって被走査面8上を主走査方向に図中矢
印Dの如く微小スポット径で光走査すると共に、該被走
査面8を副走査方向に移動、もしくは回動させることに
より2次元的に画像を光走査(記録)するようにしてい
る。
Next, by rotating the optical deflector 6 in the direction of arrow C in the figure, the surface to be scanned 8 is optically scanned in the main scanning direction with a small spot diameter as shown by arrow D in the figure, and the surface 8 to be scanned is moved. The image is optically scanned (recorded) two-dimensionally by moving or rotating in the sub-scanning direction.

【0037】このように本実施形態では被走査面8近傍
に形成されるレーザービームが非回折性ビームとなって
おり、この非回折性ビームは前述の如く焦点深度が非常
に深いので、例えばその光学系の像面湾曲が大きかった
り、あるいは光学部品の配置位置の誤差や変動があった
りしても画像の劣化が起きることはなく、常に高画質の
画像を得ることができる。
As described above, in this embodiment, the laser beam formed near the surface 8 to be scanned is a non-diffracting beam, and the non-diffracting beam has a very deep focal depth as described above. Even if the curvature of field of the optical system is large, or if there is an error or variation in the arrangement position of the optical components, the image does not deteriorate, and a high-quality image can always be obtained.

【0038】尚、本実施形態では光源手段として垂直発
振型面発光レーザを用いたが、該垂直発振型面発光レー
ザに限らず、円筒状の光強度分布の光ビームを発する光
学素子、例えばLED(発光ダイオード)やSLD(ス
ーパールミネッセント・ダイオード)等を用いても本発
明は前述の実施形態と同様に適用することができる。
In this embodiment, the vertical oscillation type surface emitting laser is used as the light source means. However, the present invention is not limited to the vertical oscillation type surface emitting laser, but an optical element which emits a light beam having a cylindrical light intensity distribution, for example, an LED. The present invention can be applied in the same manner as in the above-described embodiment even if (light emitting diode), SLD (super luminescent diode) or the like is used.

【0039】また本実施形態においては干渉領域(ベッ
セルビーム領域)の後方光路中にリレーレンズを配置し
ても良く、また垂直発振型面発光レーザ12と凸レンズ
22との間の光路中にビームエキスパンダーを設けて光
学系を構成しても良い。
In this embodiment, a relay lens may be arranged in the optical path behind the interference area (Bessel beam area), and the beam expander may be arranged in the optical path between the vertical oscillation type surface emitting laser 12 and the convex lens 22. May be provided to constitute the optical system.

【0040】また本実施形態においてはベッセルビーム
発生方法を光走査装置に適用したが、これに限らず、例
えば光記憶装置等の光学装置全般の広い範囲でも応用す
ることができる。
In this embodiment, the method of generating a Bessel beam is applied to an optical scanning device. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to a wide range of optical devices such as an optical storage device.

【0041】[0041]

【発明の効果】本発明によれば前述の如く円筒状の光強
度分布の光ビームを発する光源手段から出射した光ビー
ムを結像光学系に入射させることにより、焦点深度の大
きなベッセルビームを発生させることができ、特に光束
のケラレが少なく、光源の光量を有効に活用できると共
に簡易な光学系で簡便にベッセルビームを発生させるこ
とができるベッセルビーム発生方法及びそれを用いた光
走査装置を達成することができる。
According to the present invention, a Bessel beam having a large depth of focus is generated by making the light beam emitted from the light source means for emitting a light beam having a cylindrical light intensity distribution incident on the imaging optical system as described above. In particular, a Bessel beam generation method and an optical scanning device using the same that can generate a Bessel beam easily with a simple optical system while effectively utilizing the light amount of a light source with less vignetting of a light beam. can do.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明のベッセルビームを発生させる実施形
態1の光学系を示した要部概略図
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a main part of an optical system according to a first embodiment of the present invention that generates a Bessel beam.

【図2】 図1に示した光源手段の拡大説明図FIG. 2 is an enlarged explanatory view of the light source means shown in FIG.

【図3】 本発明のベッセルビームを発生させる実施形
態2の光学系を示した要部概略図
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a main part of an optical system according to a second embodiment of the present invention that generates a Bessel beam.

【図4】 本発明のベッセルビーム発生方法を光走査装
置に適用したときの実施形態1の主走査方向の要部断面
FIG. 4 is a sectional view of a main part in the main scanning direction of the first embodiment when the method of generating a Bessel beam according to the present invention is applied to an optical scanning device.

【図5】 従来のベッセルビームを発生させるための光
学系を示した要部概略図
FIG. 5 is a schematic view of a main part showing an optical system for generating a conventional Bessel beam.

【図6】 従来のベッセルビームを発生させるための光
学系を示した要部概略図
FIG. 6 is a main part schematic diagram showing an optical system for generating a conventional Bessel beam.

【図7】 図6に示した光源手段の拡大説明図FIG. 7 is an enlarged explanatory view of the light source means shown in FIG. 6;

【図8】 従来のベッセルビームを発生させるための光
学系を示した要部概略図
FIG. 8 is a main part schematic diagram showing an optical system for generating a conventional Bessel beam.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 光出力(レーザービーム) 12 光源手段(垂直発振型面発光レーザ) 21,32 干渉領域(ベッセルビーム領域) 22 凸レンズ 10,30 結像光学系 31 ビームエクスパンダー 31a 第1のレンズ 31b 第2のレンズ 5 集光手段(集光レンズ) 6 偏向手段(回転多面鏡) 7 結像手段(fθレンズ) 8 被走査面 Reference Signs List 11 light output (laser beam) 12 light source means (vertical oscillation type surface emitting laser) 21, 32 interference area (Bessel beam area) 22 convex lens 10, 30 imaging optical system 31 beam expander 31a first lens 31b second Lens 5 Condensing means (condensing lens) 6 Deflection means (rotating polygon mirror) 7 Imaging means (fθ lens) 8 Scanning surface

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 円筒状の光強度分布の光ビームを発する
光源手段から出射した光ビームを結像光学系に入射させ
ることにより、第1種の0次ベッセル関数の2乗に略比
例する強度分布を有するベッセルビームを発生させるこ
とを特徴とするベッセルビーム発生方法。
1. A light beam emitted from a light source means for emitting a light beam having a cylindrical light intensity distribution is incident on an imaging optical system, so that the intensity is substantially proportional to the square of the first-order zero-order Bessel function. A method for generating a Bessel beam having a distribution.
【請求項2】 前記光源手段は垂直発振型面発光レー
ザ、もしくは発光ダイオード(LED)、もしくはスー
パールミネッセント・ダイオード(SLD)より成るこ
とを特徴とする請求項1のベッセルビーム発生方法。
2. A method according to claim 1, wherein said light source means comprises a vertical oscillation type surface emitting laser, a light emitting diode (LED), or a super luminescent diode (SLD).
【請求項3】 前記結像光学系は凸レンズを有している
ことを特徴とする請求項1のベッセルビーム発生方法。
3. The method according to claim 1, wherein said imaging optical system has a convex lens.
【請求項4】 前記結像光学系にビームエクスパンダ
ー、もしくはリレーレンズを配したことを特徴とする請
求項3のベッセルビーム発生方法。
4. The method according to claim 3, wherein a beam expander or a relay lens is provided in the imaging optical system.
【請求項5】 前記凸レンズは前記光源手段の発光面に
対し、該凸レンズの焦点距離だけ離れた位置に配され、
該凸レンズの焦点距離だけ離れた位置近傍に前記ベッセ
ルビームを発生させたことを特徴とする請求項3のベッ
セルビーム発生方法。
5. The convex lens is disposed at a position away from a light emitting surface of the light source means by a focal length of the convex lens.
4. The method according to claim 3, wherein said Bessel beam is generated near a position separated by a focal length of said convex lens.
【請求項6】 円筒状の光強度分布の光ビームを発する
光源手段から出射した光ビームを結像光学系を介して第
1種の0次ベッセル関数の2乗に略比例する強度分布を
有するベッセルビームとし、該ベッセルビームを集光手
段により集光し偏向手段に入射させ、該偏向手段で偏向
させた後、結像手段を介して被走査面上に導光し、該被
走査面上を光走査するようにしたことを特徴とする光走
査装置。
6. A light beam emitted from a light source means for emitting a light beam having a cylindrical light intensity distribution has an intensity distribution substantially proportional to the square of a first-order zero-order Bessel function via an imaging optical system. A Bessel beam is collected, the Bessel beam is condensed by a condensing means, made incident on a deflecting means, deflected by the deflecting means, and then guided on a surface to be scanned through an image forming means. An optical scanning device characterized in that an optical scanning is performed.
【請求項7】 前記光源手段は垂直発振型面発光レー
ザ、もしくは発光ダイオード(LED)、もしくはスー
パールミネッセント・ダイオード(SLD)より成るこ
とを特徴とする請求項5の光走査装置。
7. The optical scanning device according to claim 5, wherein said light source means comprises a vertical oscillation type surface emitting laser, a light emitting diode (LED), or a super luminescent diode (SLD).
【請求項8】 前記結像光学系は凸レンズを有している
ことを特徴とする請求項6のベッセルビーム発生方法。
8. The method according to claim 6, wherein the imaging optical system has a convex lens.
【請求項9】 前記結像光学系にビームエクスパンダ
ー、もしくはリレーレンズを配したことを特徴とする請
求項8のベッセルビーム発生方法。
9. The method according to claim 8, wherein a beam expander or a relay lens is provided in the imaging optical system.
【請求項10】 前記凸レンズは前記光源手段の発光面
に対し、該凸レンズの焦点距離だけ離れた位置に配さ
れ、該凸レンズの焦点距離だけ離れた位置近傍に前記ベ
ッセルビームを発生させたことを特徴とする請求項8の
ベッセルビーム発生方法。
10. The method according to claim 1, wherein the convex lens is disposed at a position away from a light emitting surface of the light source means by a focal length of the convex lens, and generates the Bessel beam near a position away from the focal length of the convex lens. 9. The method according to claim 8, wherein:
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